Спасибо за регистрацию в Physical World. Если вы захотите изменить свои данные, пожалуйста, посетите раздел «Мой аккаунт».
Мед и другие высоковязкие жидкости текут быстрее воды в капиллярах со специальным покрытием. Это удивительное открытие сделали Мая Вучковац и ее коллеги из Университета Аалто в Финляндии, которые также показали, что этот противоречащий интуиции эффект обусловлен подавлением внутреннего потока внутри более вязких капель. Их результаты прямо противоречат существующим теоретическим моделям течения жидкостей в супергидрофобных капиллярах.
Область микрофлюидики занимается управлением потоком жидкостей через узко ограниченные участки капилляров — обычно для производства медицинских устройств. Для микрофлюидики лучше всего подходят жидкости с низкой вязностью, поскольку они текут быстро и без усилий. Более вязкие жидкости можно использовать, создавая более высокое давление, но это увеличивает механическое напряжение в хрупких капиллярных структурах, что может привести к их разрушению.
В качестве альтернативы, поток можно ускорить с помощью супергидрофобного покрытия, содержащего микро- и наноструктуры, которые захватывают воздушные подушки. Эти подушки значительно уменьшают площадь контакта между жидкостью и поверхностью, что, в свою очередь, снижает трение, увеличивая поток на 65%. Однако, согласно современной теории, эти скорости потока продолжают уменьшаться с увеличением вязкости.
Команда Вучковаца проверила эту теорию, изучив капли различной вязкости, которые под действием силы тяжести вытягивались из вертикальных капилляров со сверхгидрофобным внутренним покрытием. Двигаясь с постоянной скоростью, капли сжимают воздух под собой, создавая градиент давления, сравнимый с градиентом в поршне.
В то время как в открытых трубках капли демонстрировали ожидаемую обратную зависимость между вязкостью и скоростью потока, когда один или оба конца были запечатаны, правила полностью менялись. Этот эффект был наиболее выражен в случае капель глицерина — несмотря на то, что он в 3 порядка более вязкий, чем вода, он текал более чем в 10 раз быстрее, чем вода.
Чтобы раскрыть физические принципы этого эффекта, команда Вучковаца ввела в капли частицы-трассеры. Движение частиц во времени выявило быстрый внутренний поток внутри менее вязкой капли. Эти потоки заставляют жидкость проникать в микро- и наноструктуры покрытия. Это уменьшает толщину воздушной подушки, препятствуя проникновению сжатого воздуха под каплей для уравновешивания градиента давления. В отличие от этого, глицерин практически не имеет заметного внутреннего потока, что препятствует его проникновению в покрытие. Это приводит к образованию более толстой воздушной подушки, облегчая перемещение воздуха под каплей в одну сторону.
На основе своих наблюдений команда разработала обновленную гидродинамическую модель, которая лучше предсказывает движение капель в капиллярах с различными супергидрофобными покрытиями. Дальнейшая работа над этим проектом может привести к созданию новых способов разработки микрофлюидных устройств, способных работать со сложными химическими веществами и лекарствами.
Physics World является ключевой частью миссии IOP Publishing по распространению результатов исследований и инноваций мирового уровня среди максимально широкой аудитории. Сайт входит в портфолио Physics World, которое предоставляет набор онлайн-, цифровых и печатных информационных услуг мировому научному сообществу.